以培養(yǎng)創(chuàng)新型人才為目標的計算機硬件實驗教學的相關探究論文

　　計算機硬件實驗系列教學活動是推動計算機專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的基礎力量。早在2003 年，哈爾濱工程大學計算機實驗教學中心就提出了“軟硬件實驗環(huán)境一體化、實驗平臺綜合化、實驗內(nèi)容系統(tǒng)化”的硬件實驗課程建設指導思想，即“三化結(jié)合”的計算機硬件實驗教學理念。構建軟硬件一體化實驗環(huán)境有利于培養(yǎng)學生軟硬件綜合素質(zhì)。綜合的實驗平臺可以進行多課程內(nèi)容交叉的綜合實驗，有利于培養(yǎng)學生的綜合設計能力，實驗內(nèi)容的系統(tǒng)化有利于培養(yǎng)學生的系統(tǒng)化設計的思想。

　　1 現(xiàn)有硬件實驗課程體系現(xiàn)狀和存在的問題

　　當前，計算機硬件實驗教學課程體系主要包括“數(shù)字邏輯實驗”、“計算機部件實驗”、“計算機組成實驗”、“微機接口實驗”、“單片機課程設計”，共計4 門實驗課和1 門課程設計。實驗采取循序漸進的方式，分布在大學本科四年階段性進行。由于實驗設備數(shù)量和整體環(huán)境條件的限制，多數(shù)實驗項目都是基于硬件邏輯設計的。例如，數(shù)字邏輯實驗最終結(jié)合實驗芯片，實現(xiàn)單一的加法器、半加器等基本功能，功能擴展性差，而且只能開設數(shù)量有限、技術含量較低的實驗項目，現(xiàn)有硬件實驗課程體系存在的問題。

　　1. 1 學生缺乏系統(tǒng)設計的概念

　　隨著，嵌入式集成技術的快速發(fā)展，特別是ARM 系統(tǒng)的穩(wěn)定升級，使得硬件系統(tǒng)的規(guī)模變得越來越大，功能實現(xiàn)也越來越復雜。在大學的實驗室里，傳統(tǒng)的硬件設計和軟件仿真相分離的實踐模式早已被淘汰。構建系統(tǒng)平臺、實現(xiàn)軟硬件協(xié)同設計和驗證，強調(diào)軟硬件功能模塊的可重用性成為現(xiàn)今市場的技術研究熱點。因此，在學習階段就按照硬件從業(yè)者標準，重點培養(yǎng)學生系統(tǒng)設計的思想和能力成為當務之急。

　　1. 2 學生缺乏可編程芯片設計能力

　　目前，實驗中心雖然已開設了GAL 編程方面的實驗項目，但是還達不到嵌入式系統(tǒng)設計的要求層次，因此，培養(yǎng)學生可編程芯片設計能力也是市場對從業(yè)人員的需求之一。

　　1. 3 缺乏對學生進行EDA 技術的培養(yǎng)

　　有關EDA 技術培訓較少，基于大量的嵌入式FPGA 實驗箱，很多實驗項目都是基本的單元級驗證型實驗，難有擴展和創(chuàng)新實驗項目，這是目前的教學弊端之一。

　　1. 4 學生的創(chuàng)新能力發(fā)揮受限

　　規(guī)定的計算機硬件實驗項目都是具有固定器件類型和實驗箱的模式，因此，設備數(shù)量有限，器件種類單一是實際問題，學生想進行擴展設計，或者自主的綜合性實驗項目，也無法正常進行。

　　2 分層次、個性化培養(yǎng)的教學體系創(chuàng)新

　　分層次培養(yǎng)實驗教學模式是指: 根據(jù)實驗項目的難易度，將實驗內(nèi)容分為三類: 即普及類、進階類和創(chuàng)新設計類，分別對應基礎實驗( 通識教育) 、綜合設計實驗及自主創(chuàng)新實驗( 創(chuàng)新教育) 。通過分層次的教學體系建設，既可以滿足不同層次學生對實驗內(nèi)容的需求，使其盡情發(fā)揮實踐動手能力和學習能力; 同時又可以對硬件系列的各門課程內(nèi)容進行整合，按照從業(yè)人員標準，最大限度地提高學生的創(chuàng)新實踐能力。

　　“個性化”教育是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要組成部分，中心始終注重對創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和教育，教師在授課過程中，會留心選拔能力突出、學有余力的學生，對其開展“個性化”培養(yǎng)，設專職教師對其理論學習及實踐能力等多方面進行綜合指導; 同時，實驗中心在創(chuàng)新經(jīng)費、實驗場地、儀器器件等方面給予支持，以此推動“個性化”學生的能力培養(yǎng)，使教師能夠在有限的時間內(nèi)挖掘出他們的最大潛能經(jīng)過3 年多的實踐檢驗，上述做法已獲得了顯著的效果，一些“個性化”較強、創(chuàng)新能力突出的學生已經(jīng)脫穎而出，在各類創(chuàng)新賽事中獲得可喜成績。實驗教材能夠為學生實驗提供參考指導的作用，有助于自學和進一步地科技創(chuàng)新需要。目前，中心獨立撰寫多部實驗教材和實驗講義，這些教材能夠涵蓋所有已開設的實驗項目和科技創(chuàng)新課題，從實驗內(nèi)容、實驗技術、實驗過程和設備使用等多方面為學生提供參考知識，為學生順利完成實驗提供有力保證。計算機部件和計算機組成實驗采用了EDA 技術，引進杭州康芯電子有限公司的GW48 系列FPGA 開發(fā)平臺; 微機接口課程采用了新型的博創(chuàng)ARM12 系列開發(fā)平臺; 數(shù)字邏輯實驗采用了新型的達艾思邏輯操作平臺，同時配備數(shù)字邏輯虛擬實驗教學軟件。與之相對應的是，實驗室與清華大學出版社等多家單位聯(lián)合出版了多部具有指導性的計算機硬件實驗系列教材，這些教材已投入到多所大學的硬件實驗教學中。

　　3 實驗教學研究方法與理念創(chuàng)新

　　3. 1 嵌入式系統(tǒng)為主線的實驗課程體系

　　嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁減，已受到歐美等發(fā)達國家的廣泛關注。針對當今國際電子設計業(yè)界對人才培養(yǎng)能力的普遍認同標準，應集中強化學生嵌入式開發(fā)技術技能的培養(yǎng)。新的課程體系是: 從本科生第四學期到第七學期硬件實驗不斷線，層次逐步提高，實驗內(nèi)容銜接連貫; 通過重組實驗教學環(huán)境，構建反映當今計算機科學技術水平和加強培養(yǎng)學生工程實踐能力的系列實驗課程; 強調(diào)各門課程明確分工、分層次培養(yǎng)學生的獨立組織硬件實驗的能力，軟件仿真驗證能力，測量儀器使用能力; 為提高教學效果，教師都認真準備，精心設計實驗范例，還收到明顯成效。

　　3. 2 多角度的新型實驗成績考核方式

　　由于實驗內(nèi)容和實驗方法的多樣性，決定了考核方式的多樣化，考核方式應能真實地反映學生的理論水平和實驗技能水平。為此，中心提出了“3 +5 + 2 新型實驗成績考核方式”，其突出特點在于: 首先，突出預習在實驗教學中的作用，通過預習報告反映出的預習成績，占總成績的30%，預習報告作為參加實驗的必要條件，不做預習報告，不得參加實驗，從而使學生重視預習。教師通過預習報告，使實驗指導更有針對性，從而提高了實驗教學質(zhì)量。同時，強調(diào)實驗操作和數(shù)據(jù)的收集是實驗教學的中心環(huán)節(jié)，占總成績的50%，不參加此環(huán)節(jié)的學生，其實驗課成績?yōu)椴患案�。在這個環(huán)節(jié)中，對學生的動手能力進行全面的考核，包括: 是否遵守實驗規(guī)則、排布線能力、分析問題解決問題能力、對理論設計的實現(xiàn)能力等。而實驗報告則是實驗教學成果的總結(jié)，反映學生對科學實驗的概括總結(jié)能力，其占總成績的20%。

　　3. 3 自行研究軟硬件實驗平臺

　　在引進全新的實驗設備的同時，中心積極自主研制基于國產(chǎn)CPU C* CORE 的嵌入式系統(tǒng)教學、實驗開發(fā)平臺。該平臺以國產(chǎn)CPU 為載體、自由軟件Linux 為基礎，采用一體化設計技術，把嵌入式實時Linux、集成開發(fā)環(huán)境、開發(fā)板和仿真器結(jié)合成一個有機的整體。本系統(tǒng)采用平面內(nèi)存管理模式解決了Linux 對無MMU 的國產(chǎn)CPU C* CORE 的存儲管理; 采用搶占式二階進程調(diào)度算法，增強了Linux處理實時應用的能力; 集成開發(fā)環(huán)境貫徹以人為本的設計理念，高度集成多種開發(fā)工具，體現(xiàn)人性化設計，易學好用; 采用構件化設計技術構造開放式體系結(jié)構，便于第三方工具的融入; 仿真器采用高速仿真處理技術，提高調(diào)試效率; 開發(fā)集成以太網(wǎng)、USB 和擴展總線等接口，拓展應用范圍，有利于對學生進行計算機軟硬件系統(tǒng)設計的培養(yǎng)。

　　3. 4 多媒體教學及現(xiàn)代化教學手段建設

　　計算機虛擬實驗教學中心是以虛擬現(xiàn)實為技術基礎，結(jié)合計算機硬件實驗課程建立起來的，以加強師生互動為目的，努力挖掘?qū)W生創(chuàng)新潛能，降低實驗經(jīng)費消耗。虛擬實驗中心依托于校園網(wǎng)絡，可以彌補設備資源的不足、實驗室開放與學習任務沖突等問題，可以實現(xiàn)最大負荷情況下的多人數(shù)在線虛擬實驗。虛擬實驗教學中心包括四個硬件虛擬實驗室: 數(shù)字邏輯及電路虛擬實驗室、可編程邏輯及數(shù)字系統(tǒng)虛擬實驗室、嵌入式系統(tǒng)虛擬實驗室、計算機技術創(chuàng)新虛擬實驗室。

　　4 實驗教學改革的反饋與效果

　　中心對全校159 名學生進行了“硬件實驗教學效果”調(diào)查問卷。從統(tǒng)計結(jié)果中看出，有89. 5% 的學生認為通過實驗完全理解了相關理論知識，有91. 2% 的學生可以熟練運用有關的科學實驗方法，有92. 6%的學生能獨立完成或在教師提示下完成應用系統(tǒng)設計，有96. 2%的學生認為實驗教學對考研或就業(yè)有較大幫助，有94. 3% 的學生通過實驗課程的學習，認為教學內(nèi)容和課程設置合理，能滿足需求。

　　對經(jīng)過“個性化”培養(yǎng)的學生進行了教學效果意見反饋，這些學生普遍認為經(jīng)過全新的基于嵌入式技術為核心的硬件實驗教學體系的培養(yǎng)，不僅使他們具備了較強的創(chuàng)新意識，團隊協(xié)作、實踐、綜合運用知識、語言表達、寫作等方面的能力均有了較大提高，在這種體系下所學到知識和鍛煉出來的能力使他們受益終身。近兩年來，計算機科學與技術學院本科生就業(yè)率均超過了95%。經(jīng)過“個性化”培養(yǎng)的學生，大部分學生考取或被直接保送研究生，就業(yè)率達到100%，且就業(yè)質(zhì)量較高。

　　為了培養(yǎng)學生的科研和工程實踐能力，中心開設的嵌入式“進階”實驗、計算機技術創(chuàng)新實驗，在選題上均是同實際科研、電子競賽互相緊密結(jié)合。支持學生科技活動等一系列措施，使實驗教學的范疇不單純拘泥于中心本身所開設的選題�！白灾鲗W習、獨立創(chuàng)新”的結(jié)合模式在極大程度上激發(fā)了學生的科研攻關和自我創(chuàng)新的意識。中心以“國家大學生創(chuàng)新訓練計劃”以及學�！按髮W生創(chuàng)新實踐項目”為契機，吸引了大批各專業(yè)、各年級的學生進入實驗中心開展創(chuàng)新學習和實踐鍛煉。中心啟動了“學生科技創(chuàng)新支持機制”，即通過設立學生創(chuàng)新學分、創(chuàng)新獎學金及科技立項資助等措施，鼓勵學生的創(chuàng)新行為，支持學生的創(chuàng)新活動，引導學生的創(chuàng)新思維。建立推薦免試攻讀碩士學位研究生制度，優(yōu)秀學生轉(zhuǎn)專業(yè)和個性化學生轉(zhuǎn)專業(yè)制度。此外，中心鼓勵并積極爭取機會使同學們接觸到實際工程中的具體問題，利用課程設計、畢業(yè)設計、畢業(yè)實習等機會提供非常具有代表性的廣泛的實驗課題與攻關點供同學進行研發(fā)。

　　幾年來，中心培養(yǎng)了一大批具有較強科研與工程實踐能力的學生，創(chuàng)新實驗室共接待和培養(yǎng)了800 余名學生。中心帶領學生參加了各類國際、國家類創(chuàng)新競賽100 余項，先后有50 余名“個性化”培養(yǎng)的學生被保送到國內(nèi)知名院校攻讀碩士研究生; 并有一大批學生獲國家級或省級電子、信息類大賽獎，為國家及國防工業(yè)輸送了一大批高質(zhì)量人才。

　　5 結(jié)束語

　　教學改革對于培養(yǎng)高素質(zhì)人才、創(chuàng)建一流的研究型大學是至關重要的。計算機硬件實驗教學改革的出發(fā)點是為了提高學生的綜合素質(zhì)，主要體現(xiàn)在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神，提高實踐能力、團隊協(xié)作能力、語言表達能力等方面。中心完善了自主創(chuàng)新人才的培養(yǎng)模式，建立了以嵌入式技術為核心，“三化”結(jié)合和“六個并舉”的計算機硬件實驗教學體系，并已經(jīng)進行了三輪的教學實踐，效果良好。

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